3D打印胶体颗粒尺寸微型游泳器

来源： 江苏激光联盟

导读：研究人员利用3D打印在胶体尺寸范围内生产出具有复杂形状的微游泳器。他们通过两光子聚合来建立3D打印的灵活性，以产生小于10微米的颗粒，并具有高度的形状复杂性。

游泳是很多生物普遍都会的一项技能。大个头的动物，比如鲸或人类，一般是通过把向后的动量传递给流体，由于动量守恒而向前游动。同样的游泳策略甚至对相对小型的动物也适用，比如鱼和蝌蚪。

自从进入21世纪，科学家和工程师已经开始研发模拟自然微型游泳者的人造物。人造微型游泳器是胶体颗粒，大小与细菌相当，一般是1~10微米，能在液体中自我推进。自然界的微型游泳者是通过驱动附属物如纤毛或鞭毛来游动的，但是人造微型游泳器通常没有运动部件，而是通过自身与环境之间发生化学反应来产生推进力。人们将胶体颗粒设计成可以进行复杂的行为和任务。

合成胶体微游泳器（也称为胶体颗粒）可以用作模型系统，对各向异性游泳器的理论和数值研究预测并获得对生物微游泳器运动的定量见解。通过将局部环境中可用的能量转换为定向运动，它们以低雷诺数运动（在微尺度下流体的运动为低雷诺数运动）进行自驱动。这是通过利用固有的不对称性（最常见的是催化过氧化氢分解的各向异性铂斑）引入微泳器的材料特性来实现的。

对形状因子行为的系统研究需要一种可靠的方法来合成具有各种复杂形状的粒子。目前，绝大多数的合成微泳器都是通过化学或蒸发技术合成的。这些方法尽管具有优势，但在形状可用性方面也有局限性，它将研究局限于球形或棒状胶体。考虑到实现其他类型运动的多种可能性，与球形相关的直线轨迹是一种例外情况。

一种有望克服这一限制的的技术是双光子聚合（2PP）。在这里，研究人员利用3D打印在胶体尺寸范围内生产出具有复杂形状的微游泳器。他们通过两光子聚合来建立3D打印的灵活性，以产生小于10微米的颗粒，并具有高度的形状复杂性。2PP已被确立为3D打印微观结构的强大工具，在形状和对称性方面具有很大的灵活性，并允许形成亚微米分辨率的结构。此外，除了复杂的形状多样性外，由于用户可以决定粒子如何相对于其在其上印刷的基材取向，因此3D打印还可以在活性贴剂位置方面提供自由，从而可以在溅射涂覆过程中决定活性贴剂的位置，从而最终可以对所得的活性运动进行额外控制。

尽管活性物质和3D微型打印领域都已完全确立，但这两个领域的结合几乎未触及。2PP产生具有多种几何形状的微粉的潜力巨大，可生产出几乎任何所需形状的颗粒，如下图1。迄今为止，结合了3D微打印和活性物质的现有研究都集中于打印大于10微米或形状相对简单的活性颗粒，其中包括3D打印的切片机，子弹形粒子以及尾部呈锯齿状的粒子。除了这些使用局部燃料驱动的研究以外，其他研究还产生了由外部磁场推动的螺旋形游泳器。然而，在许多需要粒子自身自主运动的应用中，外部推动的使用是不实际的。

图1. 通过双光子聚合获得的各种3D打印的颗粒形状的SEM图像。

▲（a）尖球形，（b）星际飞船，（c）螺旋形，（d）螺旋形，（e）三聚体和（f）3D钳形船。

粒子制造
通过图2中总结的方法制备3D打印的活性颗粒。使用2PP的商用3D微型打印机（Photonic Professional GT，Nanoscribe GmbH）配备有63x油浸物镜（Zeiss，NA = 1.4），并使用在浸入模式下打印3D结构。这些结构是在Autodesk Inventor中设计的，并由Describe处理。使用商购的光致抗蚀剂IP-Dip，将大阵列的颗粒印刷到用异丙醇清洁的熔融石英基材上。选择光致抗蚀剂，基板和透镜的这种组合以提供尽可能高的可用分辨率。每单位面积可打印的颗粒数量仅受颗粒尺寸的限制，因为用户可以决定每个颗粒在基材上的放置位置。当前，许多组织正在解决放大问题，例如，利用飞秒投影方法和3D光干涉技术。

▲用于制备3D打印胶体微锥的方法示意图。

（a）粒子设计的CAD图，（b）浸没模式下的双光聚合装置，其中物镜浸没在光致抗蚀剂中，（c）显影 后3D印刷粒子阵列的扫描电镜图像，（d）用铂/钯溅射涂层，（e）通过超声波处理将粒子从水中的基底上分离，（f）在过氧化氢溶液中的主动运动。

未来，3D打印胶体颗粒可以被设计成能够执行复杂行为和任务的游泳器，所以，研究人员在积极研究其各种重要的实际应用，从水处理到输送药物等。正如在1966年的科幻电影《神奇旅程》李描绘的一样，一群科学家把自己和潜水艇缩小到细胞那么小，从而能够进入到一位同事的血管中，清除他的脑血栓。

图片来源于世界科学

本文来源：Rachel P. Doherty et al. Catalytically propelled 3D printed colloidal microswimmers, Soft Matter (2020). DOI: 10.1039/D0SM01320J